隧道超前地質預報技術分析

趙志輝

中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西西安，710000

0 引言

在社會經濟不斷發展的背景下，我國交通網絡正在逐漸健全，鐵路公路等交通網絡也正在不斷由中心城市向偏遠地區延伸。在公路鐵路建設中，隧道建設在交通工程中的重要性逐漸突顯出來。隧道超前地質預報工程實施原因在于，隧道的長度及埋深等多方面因素的影響，地質條件較為復雜，隧道內的突水、突泥等災害對隧道的施工安全及質量有著直接的影響。通過預報檢測技術，可以有效判定隧道中遇到的特殊情況，從而正確指導工程實施。本文結合實際情況進行研究，對隧道超前地質預報技術應用現狀進行全面分析，并對其未來發展過程中的問題和趨勢進行了探討，為超前地質預報技術的研究應用提供了依據。

1 隧道超前地質預報技術應用對隧道工程的重要性

在隧道設計與施工前期，需要進行全面的地質勘察，雖然在一定程度上針對地質的實際情況進行了預報和預測，但是因為巖體具有一定的復雜性，所以勘察資料和工程實際開挖可能出現較大的差距。隨著工程等級的提升，隧道工程數量及規模不斷擴大，工程實施所面對的地質環境更加復雜，直接增加了地質勘察資料以及工程實際實施情況的差距。如果勘察資料不能有效反映出工程建設的實際情況，就失去了施工開挖的參考性，導致工程實施只能在盲目的情況下進行，無法預測施工中潛在的風險因素，例如涌水、塌方等問題，都會給工程項目的資金成本、人員安全、施工質量等帶來極大的安全隱患。如何開展預報措施一直是隧道施工中的重點研究問題。采取有效的措施，能夠確保工程實施過程中的安全性與動態性，從而為工程推進提供參考作用[1]。

在傳統隧道施工中，存在著很大的局限性，部分工程缺乏相應的超前地質預測預報技術，導致在隧道掘進過程中失去了有力的保障支撐，面臨的風險是巨大的。而部分工程項目雖然具備預測預報技術，但是由于技術人員專業性不足或經驗積累不夠，降低了預測預報的功能，雖然能夠開展基礎性工作，但是工作尚存在片面性與不足，無法準確地提供勘測的條件。針對規模較大的工程，難以為工程實施提供參照。所以隧道超前地質預報技術的應用對隧道工程實施非常重要，工作人員需要全面了解技術應用現狀，并掌握技術發展趨勢。

2 隧道超前地質預報技術的應用現狀分析

在隧道超前地質預報技術應用中，應用最頻繁也是使用范圍最廣的技術為地質分析技術與物探技術。其中，物探技術又分為TSP技術和地質雷達技術。

2.1 地質分析技術

地質分析技術屬于當下應用最為廣泛且頻率最高的預報技術，主要原理是掌握隧洞、區域地表條件等因素進行調查然后開展超前預報。采用這種技術，能夠判斷工程實施的區域地質狀況，并充分對風險等級進行劃分，對于高風險區域重點識別。同時，其還能夠通過了解隧道掌子面前方的特殊地質進行預測勘察，并依據地質的特殊屬性，如規模、類型等，制定出超前地質預報方案，為工程的實施提供參考，保證工程施工的合理性與安全性，降低施工所面臨的風險[2]。這種技術在實際應用中主要針對地質構造相對簡單、隧道埋深淺的地質情況，在條件符合的情況下可以快速提升預報準確性，但是并不適用于隧道埋深較深且結構復雜的工程。

2.2 物探技術

這種技術的原理在于結合隧道工程巖土體的實際特點，使用不同的探測方法以及配套設備，通過地球物理變化探測，來間接性地為隧道施工提供參照。技術的應用對隧道掌子面的工程開展不會產生影響，也不會對地質造成破壞，隨著技術的應用，人們逐漸認識到技術的優勢，因而正在呈現應用范圍與頻率逐漸擴大的趨勢。在實際應用中，物探技術主要包含了兩種技術內容，具體如下。

2.2.1 TSP技術

TSP技術起源于瑞士的安伯格企業，該企業通過結合施工情況、技術研發創造出了TSP技術（也稱隧道地震勘探），這種技術的原理為多波多分量探測技術，通過地震波的不均勻反射波來掌握掌子面的巖性變化，并對掌子面周邊進行勘測。在實際應用中，TSP技術主要適用隧道100～200m中長距離超前地質探測預報。當前無論在我國還是國際的隧道施工中，其都獲得了廣泛應用，在應用時預報的準確性較高[3]。

2.2.2 地質雷達技術

這種技術主要利用隧道前方巖石介質界面的電磁特性差異而產生的電磁反射波完成預報工作，在進行探測時會發出高頻脈沖，如果勘測的環境較為復雜，電磁波會快速地衰減，所以在應用中要提升人員勘測效率，發揮技術勘測價值。如果周邊的巖性條件較好，那么這種方式可以在探測開挖前的10～30m，探查隧道周邊的地質情況。這種技術在應用中，因為成本較低、操作簡便、要求不高，受到廣泛歡迎。

3 隧道超前地質預報技術的發展趨勢

3.1 綜合多種類技術開展應用

結合當前隧道預報技術實施現狀來看，單一的隧道技術應用存在著很大的局限性，當前并沒有預報技術能夠全面地將地質缺陷準確勘測出來。所以，在進行隧道超前地質預報技術實施中，想要提升預報的準確性，就要綜合多種類技術應用，創造出互相補充、驗證的勘測條件，從而降低勘測的難度，提升探測的可靠性，比如TSP技術的優勢在于操作簡單、廣泛性強，且能夠對較大范圍實施預報，效率較高，但其容易被環境因素影響，導致數據分析出現失準，而地質雷達技術則能在多種類型環境地區實施探測，但缺點是探測距離較短，若綜合兩種技術，就能彌補雙方缺點。結合實際情況來看，完全可以將地質分析、地質雷達以及TSP這三種技術聯合在一起，在應用中將TSP技術作為主要預報技術，并輔以地質分析、雷達技術進行預測，建立綜合性的預報模式[4]。例如，在隱伏地質構造的預報當中可以采用上述三種技術聯合應用，像是在某平導圍巖特性為侏羅系流紋質熔結凝灰巖的鐵路隧道工程地質預報工作中，先是采用TSP技術實施探測，再通過對圖像的地質分析發現，某段波速比和泊松比參數呈上升趨勢，而橫波速度卻下降，密度頗低，因而可推測其很大概率存在地下水，當施工到達某一里程位置后發現工作面出現浸水，這時再輔以地質雷達探測技術，對雷達情況進行分析后發現，該工作面的后方約5～10米范圍內出現了同相軸反射能量顯著增強的情況，因而推測該段圍巖結構可能呈現出較為破碎的現狀，其15米深處還有可能有薄層水，隨后通過施工揭露發現，該位置確實存在斷層，寬度約為20米，這表明多種技術的結合應用實現了科學且相對準確的超前地質預報。

3.2 定量開展超前技術

在預報技術應用期間，鉆爆技術是當下較為新穎的技術方法，雖然技術出現較晚，但是通過總結與創新，技術在實際應用中已經趨于完善，并且在未來的發展空間是巨大的。定量化的超前預報指的是借助先進的定向技術對施工區域中的多種復雜地質環境進行定量化的分析與提示。開展定量化超前預報的關鍵在于創新“探水定量”。在定量化的探水工作中，只有兩種物探技術對水量具有敏感的反應，即核磁共振與激發極化技術。但是將兩種技術投入到隧道勘測中尚處于發展階段，所達到的水平可能為半定量水平，并不能全面地投入到實際工作中。在未來，還需要經過大量的試驗及測試，充分考量兩種技術在實際工程中的應用效果，從而提升定量探水效果，提高地質情況預報的精準性。

3.3 開展TBM施工技術

TBM施工技術也叫作全斷面掘進機施工技術，其是目前主要用于隧道開發施工的方法之一，具體操作中使用掘進機設備，相關施工優勢包括速度較快、安全性和可靠性強、較為高效、成本頗低以及施工質量水平高等，在該項施工進行時，往往是將多種先進技術融為一體，如電子技術、機械技術、控制技術、激光技術以及液壓技術，因而技術能高度自動化和機械化，是許多大型地下隧道工程中會用到的先進開挖襯砌配套裝備，TBM的設備主要可劃分為主機部分和后配套系統部分，主機主要有主電機、超前鉆探設備、管片安裝設備、刀頭、刀盤、傳動系統、超前支護設備以及操作室，而后配套系統中則是由支護功能、運輸功能、控制功能、液壓功能、光導向功能、排水和供電功能以及通風功能的相應系統組成。TBM技術雖然工作效率較高，但是也有一定的弊端，如地層適應性不高，且對預報工作具有一定的要求，如要求工作具備一定的安全性、適應性，在應用中必須依據隧道的掌子面特點來判斷水體的情況，在應用中可以綜合應用兩到三種超前地質預報技術，以長、中、短距離相互搭配，來進行優勢的互補。同時，借助掘進機將巖體震碎，并采用震波技術，可以有效反映地質的具體情況，與TBM技術進行配合，達到相互補充的效果。由此可見，TBM技術在應用中具有良好的前景。在定量估算水量期間，還可以將單孔定向雷達裝配在TBM機器上，提升勘測的準確性。TBM技術對地理物理儀器具有一定的需求，所以在未來研究中，要充分實現技術的自動一體化搭載[5]。

3.4 采用采鉆孔空物理技術

采鉆孔空物理技術是指鉆孔地球物理勘探技術，其也是鉆孔中多種以地球物理勘探為原理的方法統稱，具體實施時圍繞物理學理論，運用專業化儀器設備，對相應地層和周圍各地質體開展坡面鉆孔穿透測量，具體的探測范圍以及工作方式也可能略有不同，其差異主要是根據實際情況產生，該技術研究發展最早是在20世紀80年代，最初只是用于了解地下空間中分布的物質情況以及地下地質運動變化規律，適當評價和預測災害，目前，該方法正被廣泛運用到隧道工程地質探測預報當中，提升了隧道工程建設的安全水平，其具體探測深度大、勘探效率高等優勢，能夠準確發現一些復雜的地質和巖性，實現高精度識別。

一般情況下，鉆孔地球物理技術可以充分探清隧道的掌子面含水量，為隧道工程的影響分析、工程實施提供一定的參考。隨鉆以及鉆孔精細超前探測技術如果分辨率越高，那么探測的成像效果越好。在隧道工程實施前，借助隨鉆及鉆孔精細超前探測，能夠充分了解隧道內結構的特殊性，避免出現地質災害，有效提升安全性與穩定性[6]。

同時，在我國科研人員不斷努力的情況下，已經創造出跨孔地質雷達和跨孔彈性波成像技術，經過實驗研究，有效推動了隧道超前地質預報技術的進步。但是，要加強對空間分辨率技術的研究，才能保證技術的創新性與精準性。在隧道超前探測工程中，單孔地質雷達是當下唯一能夠投入到實際應用的探測技術，在探測時呈現探測半徑大、隨鉆探測等特性。但是因為電磁波在傳播過程中并沒有單一的方向，屬于全方向，所以在實際應用中并不能探測到目標的具體方位。

4 結語

綜上所述，通過研究可以充分了解隧道超前地質預報技術應用對隧道工程的重要性，工作人員應當全面了解應用現狀，掌握技術的發展趨勢，為技術研究和進步提供參照。目前我國在隧道超前地質預報技術應用中，主要采用了地質分析技術、物探技術等。在未來想要提升技術應用的有效性、擴大技術應用空間，就要充分明確技術發展趨勢，并切實制定符合發展需求的策略。本文闡述綜合多種類技術開展應用、定量開展超前技術等，為技術的發展提供了一定方向。